双目视觉测量系统结构参数设计及精度分析

为提高视觉测量系统的测量精度,针对双目视觉系统结构,采用三角法建立了双目视觉测量系统的结构参数模型,分析了双目视觉系统结构参数与空间被测点之间的关系特性,研究了各结构参数对测量精度误差分布的影响,根据仿真结果给出了小误差时的结构参数的最佳取值范围。     

远距离三维坐标测量中双目视觉系统结构参数的优化

针对双目视觉系统对远距离大视场复杂地形环境下目标点三维坐标的测量,研究了优化系统结构,提高双目视觉系统坐标测量精度的方法。分析了系统结构参数对测量精度的影响,通过在监测区域内设置靶标对系统进行标定。测量时,将获取的目标点图像信息代入测量模型进行解算,从而获得目标点的空间三维坐标。仿真分析了系统结构参数中调平传感器精度以及系统布局方式对三维坐标测量精度的影响,得出了其误差影响趋势。在此基础上,提出系统调平传感器精度为±0.1°的要求以及系统合理的布局方式,为构建双目视觉测量系统的布局提供参考。对直径200m的区域进行了监测,结果显示目标点的相对定位误差均小于0.33%,满足系统的精度指标要求,同时使得系统现场架设更加方便快捷,避免了盲目性。     

双目视觉测量系统结构参数理论与试验研究

建立了对称式双目立体视觉测量系统的数学模型,从理论上系统、详尽地分析了系统结构参数———两摄像机之间的距离(基线距离2b)及两摄像机光轴之间的夹角(光轴夹角2α)对测量精度的影响,并得出了影响趋势。在此基础上,搭建了双目视觉系统并进行试验,试验结果与理论定性分析结果是一致的,且当光轴夹角2α<20°时,测量误差急剧增加,2α>45°时,测量误差趋于平缓。综合考虑测量误差、测量范围及系统结构紧凑性等因素,设计双目视觉系统时,建议光轴夹角在20°～45°,基线距离在300～500 mm。     

灰色关联分析方法在双目视觉测量系统误差分析中的应用

针对双目视觉测量系统存在误差因素繁多、分析困难等问题,提出了一种基于灰色关联技术的误差分析方法。考虑视觉系统的灰色属性,将灰色系统理论及其相关技术运用于视觉测量系统的误差分析。以镜头畸变、质心定位误差及双目视觉系统内、外参数等9项因素或参数为自变量,通过基于单项因素变化的实验,获取了误差分析的数据样本;采用灰色数据处理方法及灰色关联分析技术,从无明显规律的数据样本中明确了视觉系统各项误差因素对最终测量精度的影响。分析结果证明了灰色理论用于定量分析视觉系统误差的正确性和有效性;在灰色理论意义下,镜头径向畸变、切向畸变、摄像机夹角及特征点质心定位误差4项因素对测量精度的关联度均大于等于0.859,高于其余误差因素。     

双目立体视觉测量的实现和结构参数选择

针对双目立体视觉测量中,基线距离B、光轴与Z轴夹角θ等结构参数只是理论分析、实验难以测量这一问题,通过创新设计,并应用3D打印技术打印基本零件,搭建了较为精密的双目视觉系统误差分析综合实验台,结合实验台提出了由旋转半径r、旋转角度γ表述的双目视觉系统结构参数模型,介绍了实验台工作原理及结构参数在此实验台中的精确设置与读取方法,减小了由人工操作带来的误差,提高了实验效率,分析了结构参数对系统误差的影响。通过理论分析与实验对比,证明双目视觉系统结构参数模型具有较高的应用价值。     

结构光视觉传感器误差分析与结构分析

结构光视觉传感器是视觉焊缝跟踪系统获得焊缝信息的重要组成部分,其测量误差与性能对焊缝跟踪系统的总体测量精度及可靠性有着直接影响.本文对应用于焊缝跟踪的结构光视觉传感器进行误差分析,包括传感器硬件系统结构误差、激光散斑噪声误差及镜头畸变误差等,并对不同结构方式下的视觉传感器建立了数学模型,具体分析了结构参数对其误差的影响,提出结构光视觉焊缝跟踪传感器优化设计方法,并依据仿真结果给出结构优化设计参数,最后通过实验验证了该优化设计方法的正确性.     

CCD双目视觉测量系统结构参数设置的理论研究

重点讨论了如何在实际应用双目测量系统的过程中合理设置系统结构参数以提高该系统的测量精度,首次在理论上对系统测量精度与系统结构参数之间的关系作出了系统、详尽的分析,并通过试验对结论作出了验证.研究内容对实际设置该测量系统具有指导性作用.     

均匀设计与灰色理论应用于视觉系统误差分析

针对测量过程中误差因素繁多、分析困难等问题,提出了一种基于均匀设计与灰色关联技术的双目视觉测量系统误差分析方法.以镜头畸变、质心定位误差及双目视觉系统内、外参数等9项因素或参数为自变量,采用均匀设计方法,安排实验,获取误差分析的数据样本;采用灰色数据处理方法及灰色关联分析技术,从无明显规律的数据样本中明确了视觉系统各项误差因素对最终测量精度的影响.分析结果证明了均匀设计与灰色理论用于定量分析视觉系统误差的正确性和有效性;在灰色意义下,镜头径向畸变、切向畸变、摄像机夹角及特征点质心定位误差4项因素对测量精度的关联度均≥0.859,高于其余误差因素.     

CCD又目视觉测量系统结构参数设置的理论研究

重点讨论了如何在实际应用双目测量系统的过程中合理设置系统结构数以提高该系统的测量精度,首次在理论上对系统测量精度与系统结构参数之间的关系作出了系统、详尽的分析,并通过试验对结论作出了验证。研究内容对实际设置该测量系统具有指导性作用。     

镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构设计

针对传统双目视觉传感器体积大、测量效率低、成本高和图像采集需同步等缺点,建立镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构模型,提出一种镜像式单摄像机双目视觉传感器的结构优化设计方法。传感器由单摄像机和两块呈一定角度的平面镜构成的镜像光学系统组成,摄像机置于镜像光学系统前,拍摄获得平面镜中对应同一被测物体的两个虚拟物体的一幅图像,图像中左右两半部分的同名特征对应被测物体的同一空间目标,等效于传统双目视觉传感器中左右摄像机分别采集的两幅图像中的同名特征。详细分析平面镜的尺寸、两块平面镜之间的夹角、平面镜与摄像机的距离等结构参数对视场范围和测量精度误差分布的影响,由仿真结果得出结构参数的合理取值范围,给出镜像式单摄像机双目视觉传感器结构参数的一般性设计原则与方法步骤。根据视场范围和测量精度的要求,确定镜像式单摄像机双目视觉传感器的关键结构参数。试验结果表明,提出的结构优化设计方法对工程应用具有实际指导意义。     

基于立体视觉的旋翼共锥度动态测量系统精度分析

为了提高基于立体视觉的直升机旋翼共锥度动态测量系统的精度和可操作性,全面分析了其测量误差。首先,介绍了测量系统模型及误差来源;其次,分析了双目立体视觉静态三维测量的误差;再次,针对旋翼共锥度的多目标动态测量特点,分析了系统安装误差对共锥度解算精度的影响;最后,利用原理样机进行了6 058次静态测量重复实验,通过统计分析可知静态测量误差小于1.4 mm。对动态测量误差进行了仿真实验分析,给出了各参数对精度影响的量化结果,为实际共锥度测量的误差控制提供了理论依据。在标记点安装精度小于10 mm的情况下,动态测量误差小于3.5 mm,合成产生的总测量误差小于4.9 mm,能满足旋翼共锥度动态测量精度要求。     

构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉标定

为了提高立体视觉系统在大视场下的测量精度,基于误差溯源思想提出了一种构建虚拟立体靶标的大视场高精度视觉系统标定方法,克服了大尺寸高精度标定物难以制造等问题。对影响立体视觉系统测量精度的主要因素进行分析,列出视觉测量系统的误差溯源链,解析了大视场视觉系统精度瓶颈的原因。借助激光跟踪仪,运用非线性最小二乘单位四元数算法求解坐标系刚体变换,获取大范围高精度的空间点阵,构建虚拟靶标。在相机畸变模型中考虑了三阶径向畸变和二阶切向畸变参数,并使用Levenberg-Marquardt迭代算法进行标定参数求解,进一步提高系统精度。实验构建了一套测量空间约为4m×3m×2m的双目立体视觉系统,通过对某型号高精度直线导轨进行点距测量,在测量距离3m处,152组不同长度的横向距离测量的误差算术均值为-0.003mm,误差标准差为0.08mm。测量精度相较于传统的平面标定法有较大提升。     

大视场双目立体视觉柔性标定

为了实现双目立体视觉系统大范围高精度三维测量,提出了一种大视场双目立体视觉系统柔性标定方法,该方法将系统中各相机内部参数标定与相机间的姿态标定进行分离,标定内部参数时,只需要令标靶相对于相机任意摆放至少三个姿态,对标靶上的编码标志点进行识别,根据标靶上编码标志点信息,建立各姿态下视图的对应关系,粗略计算标志点的初始三维坐标;建立多姿态下逆向投影误差最小的目标函数,采用非线性最小二乘优化获取精确的相机内部参数和标志点三维坐标;最后,建立基于双相机逆向投影误差最小的目标函数,优化得到精确的相机间姿态的外部参数。实验结果表明:当测量空间为1 200mm×1 000mm×1 000mm时,立体视觉系统的测量精度优于0.1mm,满足大范围双目立体视觉系统的高精度测量需求。     

双目立体视觉运动机构的设计

根据双目立体视觉系统的测量原理,在分析双目立体视觉系统测量误差主要来源的基础上,针对减小误差、调节方便的要求,设计了一套双目立体视觉运动机构。叙述了其机构的工作原理和特点,着重阐述了保证运动精度的水平调节机构和平行调节机构的原理、工作过程和设计计算。     

基于双目视觉的空间点位置测试

为了获取物体空间位置参数,提出基于双目视觉的测试方法。给出了双目视觉测试的基本原理,建立双目视觉的测试模型,并完成了双目测试系统的标定,最后进行了测试物体位置的实验并利用距离对测试结果进行了可靠度分析。分析结果表明:测量系统对空间位置测试精度可达0.36%。     

钢轨全轮廓线结构光双目视觉测量系统标定

线结构光视觉测量技术因非接触和精度高的特点被用于钢轨磨耗测量。为解决钢轨断面全轮廓测量和线结构光测量系统现场标定困难的问题,提出了一种基于自由平面靶标的线结构光双目现场标定方法。首先,基于线结构光双目视觉测量模型搭建测量系统,分别采集两侧摄像机公共视角下任意位置的不含和包含线结构光的棋盘格平面图像;然后,采用棋盘格平面标定法获取两侧摄像机内部参数。利用线结构光平面与不同位置标定板相交产生的特征点拟合出线结构光平面在两侧摄像机坐标系中的平面方程,采用罗德里格斯变换原理求解出线结构光平面与两侧摄像机的外部参数;最后,结合摄像机内部参数和线结构光平面与摄像机外部参数实现钢轨全轮廓测量,并进行现场测试。试验结果表明,相机内参数标定误差约为0.03 pixel,结构光平面拟合度达0.999,钢轨断面全轮廓总测量偏差为0.54 mm,满足测量精度要求。     

大视场双目视觉传感器现场标定方法

针对大视场视觉测量应用,分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法。在测量空间内任意多次摆放基线尺,两摄像机拍摄基线尺图像。利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化方法结合同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数。该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数。实验结果表明该方法在6000mm×4500mm的范围内可以达到0.06mm的测量精度,适合双目立体视觉传感器的现场标定。     

大视场双目视觉传感器的现场标定

分析了摄像机和双目视觉传感器的数学模型,针对大视场视觉测量应用,提出了一种基于基线尺的大视场双目视觉传感器标定方法.在测量空间内任意多次摆放基线尺,由两摄像机拍摄基线尺图像.利用基本矩阵及基线尺上两特征点之间距离的约束,采用线性解和非线性优化相结合的方法同时估计摄像机的内部参数以及双目视觉传感器的结构参数.该标定方法操作简单,标定效率高,无需初始参数即可估计双目立体传感器的全部参数.实验结果表明,该方法适合双目立体视觉传感器的现场标定,在6 000 mm×4 500 mm的范围内可以得到0.06 mm的测量精度.     

双目视觉传感器的现场标定技术

本文以凤影变换为依据,针对多视觉传感器中的双目视觉传感器中的双目视器,建立了双目视觉传感器测量空间三维坐标的模型,事先确定摄像机的部分不易变化整个系统后进行现场标定。该方法不需精确调整标定靶标,标定环境与实际测量上同,减少了安装传感器对标定参数的影响,实验结果表明,该标定方法能获得０．０５ｍｍ的空间精度。     

接触线参数双目视觉测量系统的有效视场与分辨率分析

根据双目测量系统的特点和接触线参数检测的技术要求,分析了双目视觉法测量接触线的有效视场和分辨率与系统结构参数和摄像机光学参数的理论关系.应用MATLAB软件对不同结构参数和光学参数条件下的有效视场和分辨率进行仿真计算.结果表明图像传感器CCD的光敏面尺寸和像素尺寸分别是影响有效视场和分辨率的主要因素;对于确定的CCD,焦距增大,有效视场减小,分辨率提高;而且,对接触线高度的测量分辨率远低于对拉出值的测量分辨率.